EP2732139A2 - Abwärmenutzungsvorrichtung - Google Patents

Abwärmenutzungsvorrichtung

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Publication number
EP2732139A2
EP2732139A2 EP11779101.2A EP11779101A EP2732139A2 EP 2732139 A2 EP2732139 A2 EP 2732139A2 EP 11779101 A EP11779101 A EP 11779101A EP 2732139 A2 EP2732139 A2 EP 2732139A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
waste heat
cylinders
drive
valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11779101.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2732139A2 publication Critical patent/EP2732139A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/10—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto
    • F01B3/101—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto for machines with stationary cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/10—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto
    • F01B3/101—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto for machines with stationary cylinders
    • F01B3/102—Changing the piston stroke by changing the position of the swash plate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L23/00—Valves controlled by impact by piston, e.g. in free-piston machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L7/00—Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements
    • F01L7/06—Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements with disc type valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B67/00—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/045—Controlling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat utilization device, a
  • a conventional waste heat utilization device is known, for example, from EP 1 533 494 A2. It includes a waste heat recovery circuit in which a working medium circulates. In the waste heat recovery circuit, a conveyor for driving the liquid working medium is arranged. Downstream of this conveyor is in
  • Waste heat recovery circuit arranged an evaporator for evaporating the working medium. Furthermore, in the waste heat recovery circuit downstream of the evaporator a
  • Expansion machine provided for relaxing the working medium. Downstream of this expansion machine is a condenser for condensing the
  • Expansion machine to a generator for generating electrical energy.
  • the evaporator is heated by means of a burner which is provided in a motor vehicle in addition to an internal combustion engine.
  • Such a waste heat utilization device usually operates on the principle of Clausius-Rankine cycle.
  • Coolant circuit includes an axial piston compressor for driving the gaseous coolant.
  • the axial piston compressor has a variable stroke volume, so that the delivery rate, in particular delivery volume and / or delivery pressure, can be adjusted independently of a rotational speed of a drive shaft of the axial piston compressor.
  • Axial piston compressors with adjustable stroke are known, for example, from DE 101 24 033 B4, from DE 101 24 034 A1, from DE 101 24 031 B4, from EP 0 964 997 B1 and from DE 103 43 570 A1.
  • a drive shaft which is rotatably mounted about an axis of rotation and in which for driving the axial piston compressor mechanical drive power can be introduced.
  • a plurality of cylinders are provided, which are oriented parallel to the axis of rotation and distributed in the circumferential direction are arranged around the axis of rotation.
  • a piston is arranged adjustable in height parallel to the axis of rotation.
  • a coupling disc which is drive-connected to all pistons and to the drive shaft and whose inclination relative to the axis of rotation determines the stroke of the pistons.
  • a low pressure inlet is fluidly connected to the cylinders.
  • a high pressure outlet is also fluidly connected to the cylinders.
  • a valve device for controlling the fluidic connections between the cylinders and the low-pressure inlet and the high-pressure outlet can be provided.
  • a Hubeinstell Marie may be provided with the aid of the stroke of the piston is adjustable. For example, this can be adjusted relative to the axis of rotation, the inclination of the coupling disc, whereby a variation of the stroke of the piston takes place.
  • a waste heat utilization device can be used in an internal combustion engine, which can be arranged in particular in a motor vehicle, heat to improve the energy efficiency of the internal combustion engine or the vehicle.
  • heat to improve the energy efficiency of the internal combustion engine or the vehicle.
  • Waste heat recovery device converted heat into mechanical drive power, which is then converted into another, deviating from heat form of energy, eg. Eg in electrical energy.
  • the electrical energy thus obtained can be used in different ways, which improves the overall efficiency of the internal combustion engine or the vehicle equipped therewith.
  • Waste heat recovery device therefore entails that the speed of the expansion machine also changes accordingly.
  • Expansion machine leads to changes in the waste heat utilization device, which is typically designed as a Clausius-Rankine cycle process.
  • the throughput of the expansion machine may change, the heat absorption in the evaporator, the value of the high pressure and / or the low pressure, the pressure difference across the expander and much more. This can also be within the waste heat recovery device
  • the object of the invention is an axial piston expander and a
  • the invention relates to an axial piston expander for a waste heat recovery device of a motor vehicle having an output shaft which is rotatably mounted about an axis of rotation and can be tapped at the mechanical drive power, with a plurality of cylinders which are oriented parallel to the axis of rotation and distributed in the circumferential direction about the axis of rotation, with a plurality of pistons, each of which is arranged to be adjustable in stroke in one of the cylinders parallel to the axis of rotation, with a
  • Coupling disc which is drivingly connected to all pistons and with the output shaft, with a high pressure inlet, which is fluidly connected to the cylinders, with a low pressure outlet, which is fluidly connected to the cylinders, with a
  • Valve means for controlling the fluidic connections between the cylinders and the high pressure inlet and the low pressure outlet.
  • the axial piston expander for a waste heat utilization device of a motor vehicle on a Hubeinstell shark wherein the stroke of the piston via a control of the pressure in a drive chamber is adjustable.
  • the stroke control for the pistons can, for example, be realized in that on the high pressure side of the waste heat recovery circuit upstream of the high pressure inlet of Axialkolbenexpanders a partial flow of the working medium, which is preferably less than 10% of the total flow, via a first throttle in a drive chamber of the
  • Axialkolbenexpanders is passed and then via a second throttle on the
  • Low pressure side of the waste heat recovery circuit is returned downstream of the low pressure outlet.
  • One of the two throttles is realized as a controllable element, for. Ex. As a clock valve, whereby it is possible to adjust the pressure in the drive chamber. About such a drive-pressure control, the stroke of the piston can be adjusted. The stroke control thus takes place via a drive-chamber pressure control.
  • Traction chamber pressure control is thus effected by a regulation of the high pressure in the bypass or the low pressure in the bypass, wherein the bypass is guided through the drive chamber flow path for the partial flow.
  • the bypass has a
  • Constant throttle and an adjustable throttle such. Ex. A clock valve.
  • the drive chamber pressure can be adjusted to a pressure value which is between the high pressure and the low pressure of the waste heat recovery circuit.
  • the waste heat recovery circuit can be adapted sufficiently quickly.
  • the mass flow can be readjusted, e.g. with the aim of keeping the pressure ratios the same or the
  • Waste heat utilization device can be regulated in a favorable operating point.
  • stroke refers to the stroke distance of the piston between its inflection points, ie between the minimum cylinder volume associated top dead center and the maximum cylinder volume associated bottom dead center This can be a stroke control represent whose limits are determined by the current pressure conditions in the waste heat recovery device ,
  • the axial piston expander is characterized in that the drive chamber with a high-pressure bypass of the high-pressure outlet for
  • the engine pressure can assume a maximum value that in the
  • the drive chamber of the axial piston expander can be connected to a low-pressure bypass of the low-pressure outlet for setting the drive chamber pressure.
  • the drive chamber pressure can assume a minimum value corresponding to the low pressure with which the expanded working fluid flows out of the piston chamber.
  • the branched working fluid is fed back into the cycle of waste heat recovery device via the low-pressure bypass and this is not lost as a working fluid.
  • At least one bypass has a
  • the drive chamber pressure or the pressure supplied to the drive chamber can be adjusted.
  • the engine room pressure also acts on the pistons from the engine room. Contrary thereto acts on the piston and the pending in the piston chamber pressure. The result is a differential pressure with which the piston pulls or pushes along its piston rod on the inclination adjustment device of Axialkolbenexpanders.
  • the pressure adjusting device is designed as a clock valve, as a constant throttle or other throttle.
  • These control devices are particularly suitable, a pressure supply or
  • the pressure adjusting device is designed as a timing valve in one bypass and as a throttle in the other bypass.
  • the target upper pressure threshold can be set via a throttle arranged in the low-pressure bypass, above which the pressure is to be discharged into the low-pressure bypass.
  • the clock valve arranged in the high pressure bypass then supplies pulsed high pressure working fluid until the throttle in the low pressure bypass blows off. Then the drive chamber pressure is set to the value specified by the throttle.
  • Coupling disc is adjustable relative to the axis of rotation. Because the inclination of the
  • Coupling disc relative to the axis of rotation on the mechanical coupling between the coupling disc and the piston determines the piston stroke, by varying the inclination between the coupling disc and the axis of rotation of the piston stroke can be easily varied.
  • a valve means provided for controlling the fluidic connections between the cylinders and the high pressure inlet and the low pressure outlet may comprise for each cylinder an inlet valve for controlling the fluid communication between the respective cylinder and the high pressure inlet from the associated piston in the region of top dead center (minimum cylinder volume) is actuated to open.
  • the respective piston actuates the associated intake valve itself, always in the region of its top dead center, ie with a minimum cylinder volume. This ensures that the inlet valve is always opened at the same, optimized piston position, which leads to increased reliability.
  • Inlet valve operated to open may be the respective
  • a protruding axially from the piston projection, z. Ex.
  • the projection for opening the respective inlet valve moves a valve element of the inlet valve in an open position.
  • the respective inlet valve can be configured as a flutter valve, which is characterized in that it has an adjustable valve element as one
  • Swivel axis has pivotable flap.
  • this pivot axis extends transversely to the stroke direction of the piston, which is an actuation of the flap for opening by mechanical contact, in particular with the aid of
  • Low-pressure outlet having a rotating about the axis of rotation control disc, which has at least one control disc axially passing through control slot.
  • the fluidic connection between the low pressure outlet and the respective cylinder is then opened when the control slot is axially aligned with the respective cylinder. In the rest of the rotation range of the control disk is the fluidic connection between the
  • Control characteristics for the outlet side of the cylinder can be realized, for example, the timing for the exhaust opening and the exhaust closing and the length of the
  • control slot can extend in a circular arc with respect to the axis of rotation.
  • control disk may be non-rotatably mounted on the drive shaft, whereby a simple and reliable construction is realized.
  • respective cylinder may have an outlet opening which is directly controlled with the control disk. This favors a cheap and compact design.
  • the invention also relates to a waste heat utilization device of a motor vehicle, with a waste heat recovery circuit, in which a working medium circulates, with a arranged in the waste heat recovery conveyor for driving the liquid working medium, arranged in a waste heat recovery circuit downstream of the conveyor evaporator for vaporizing the working medium using Waste heat of the internal combustion engine, with a waste heat recovery circuit downstream of the evaporator arranged expander for relaxing the working medium, arranged in a waste heat recovery circuit downstream of the expansion machine condenser for condensing the working medium, wherein the expansion machine for transmitting mechanical drive power to a drive train of
  • Internal combustion engine is coupled or can be coupled.
  • the expansion machine is a Hubtownbarer means of a Triebraumducks Axialkolbenexpander according to one of the described embodiments, the output shaft for transmitting mechanical drive power with the
  • Drivetrain of the internal combustion engine is coupled or coupled.
  • a waste heat utilization device which is equipped with an axial piston expander of the type presented here, or in an internal combustion engine, which is equipped with such a waste heat utilization device, may suitably a
  • a control device may be provided which operates the Axialkolbenexpander at a cold start of the waste heat recovery device as Axialkolbenkompressor.
  • the Axialkolbenexpander as
  • Flow rate (volume and / or pressure) can be controlled independently of the speed of the drive shaft. During a cold start of the waste heat utilization device, all components of the waste heat utilization device are substantially on
  • High-pressure conveyor designed the waste heat recovery device can at such low pressures or temperatures show Kavticiansprobleme that can lead to damage.
  • the Axialkolbenexpanders as Axialkolbenkompressor the working fluid can be easily conveyed even at a high gas content, which makes it possible to circulate in the evaporator preheated working fluid simply in the waste heat recovery circuit to heat all components of the waste heat recovery device can more quickly.
  • the conveyor is relieved. At the same time the commissioning time of the
  • Waste heat recovery device shortened.
  • the output shaft may be coupled to a part of the drive train, which drives at least one auxiliary unit, such. Eg an alternator, a generator or a pump.
  • This part of the drive train can be decoupled from the rest of the drive train by means of a controllable coupling device.
  • a control device can now be configured such that it actuates the coupling device for decoupling the part of the drive train coupled to the output shaft from the rest of the drive train in a coasting operation of the internal combustion engine and / or in an idling mode of the internal combustion engine.
  • the coupling device is open, the waste heat utilization device can be used via the axial piston expander during overrun operation of the internal combustion engine, the at least one auxiliary unit
  • the valve timing may be appropriately selected on the inlet side and / or outlet side so that the Axialkolbenexpander suffers no liquid shock.
  • liquid working medium can also occur on the high pressure side. Since this is relatively incompressible measures must be implemented to avoid damage, if it can come in the expansion machine to a compression of the working medium.
  • the axial piston expander may expediently be lubricated with oil, wherein the lubricating oil required for this purpose can be circulated in a circuit.
  • a lubricious working medium such as silicone oil can be used.
  • Axialkolbenexpander be led out, so that the output shaft identifies two shaft outputs, wherein the one shaft output, in particular via a coupling device, is drivingly coupled to the drive train of the internal combustion engine, while the other shaft output can be drivingly connected to a generator.
  • the axial piston expander can be configured inter alia as a swashplate expander or swivel ring expander or swivel disc expander or wobble plate expander.
  • the axial piston expander can be designed for a pressure ratio of 1:50 to 1: 3.
  • the number of cylinders of the axial piston expander is preferably three, four, five, six, seven, eight, nine, eleven cylinders.
  • Axialkolbenexpanders with the drive train of the internal combustion engine is advantageously carried out via a toothed belt or a chain drive or a gear drive.
  • Torsional vibration damper or rubber elements may be provided.
  • Axialkolbenexpander and thus drive-connected generator be provided a sheath to thermally isolate this component or unit.
  • Fig. 1 is a greatly simplified schematic diagram of a schematic
  • Fig. 2 is a greatly simplified schematic diagram of a schematic diagram
  • FIG. 3 is a greatly simplified, schematic detail view of the Axialkolbenexpanders in the region of a cylinder
  • Fig. 4 is a highly simplified, basic plan view of a control disk of the
  • the internal combustion engine 1 comprises an engine block 4, a fresh air system 5 and an exhaust system 6.
  • the internal combustion engine 1 drives a drive train 7, which may include conventional components such as a crankshaft, a transmission, a flywheel and the like.
  • the waste heat utilization device 2 comprises a waste heat recovery circuit 8, in which a working medium circulates.
  • a conveyor 9, an evaporator 10, an expansion machine 11 and a condenser 12 are arranged one behind the other in the flow direction of the working medium.
  • the conveyor 9, which may preferably be configured as a volumetric pump, drives the liquid
  • the evaporator 10 serves to evaporate the working medium, wherein the evaporator 10 uses the waste heat 3 of the internal combustion engine 1.
  • the evaporator 10 is heat-transmitting coupled to the exhaust system 6.
  • the evaporator 10 can be designed as a heat exchanger, which can be more or less integrated into the exhaust system 6.
  • suitable heat sources is the use of waste heat from a cooling water circuit, engine or transmission oil, the dissipated heat of a refrigerant of an air conditioner or other accumulating residual heat in the motor vehicle.
  • the expansion machine 1 serves to relax the working medium, wherein the expansion machine 11 drives an output shaft 14.
  • This output shaft 14 is coupled in Fig. 1 with the drive train 7 in such a way that mechanical drive power from the output shaft 14 can be transmitted to the drive train 7.
  • the condenser 12 serves to condense the working medium.
  • the capacitor 13 may be connected to a cooling circuit 15, which may in particular be a cooling circuit of the internal combustion engine 1.
  • the expansion machine 11 is designed in the presented here waste heat recovery device 2 as Axialkolbenexpander, which in the following also with the
  • This axial piston expander 11 is provided with a first axial piston expander 11 and a second axial piston expander 11 .
  • Tilt adjuster 16 equipped with which it is possible to increase the stroke of
  • the inclination adjusting means 16 together with a
  • the drive-pressure control device has at least one high-pressure bypass 41 with a pressure control device 42, at least one low-pressure bypass 44 with a pressure control device 45, a drive chamber 43 of the axial piston expander 11 and a control device 19.
  • the drive-pressure control device branches from the connection between the evaporator 10 and Axialkolbenexpander 11 before each inlet valve 31 of a cylinder 26 from a bypass 41 which connects the drive chamber 43 of the Axialkolbenexpander 11 via a pressure control device 42 with the high pressure of the waste heat recovery circuit 8 at the expander inlet 17.
  • each outlet 18 of a cylinder 26 is connected to a bypass 44 of the drive chamber 43 via a pressure control device 45 with the low pressure of the
  • Expand notionslasses 18 connects.
  • the drive chamber pressure can be regulated by means of the control device 19, wherein the latter can assume at least the low pressure applied to the outlet 18 and at most the high pressure present at the inlet 17.
  • the pressure in the drive chamber 43 acts on the piston 27 in the entire drive chamber 43 and thus also on the drive-side side.
  • the same drive-air pressure also acts on all pistons at the same time.
  • the pressure acting in the drive chamber 43 on the piston 27 counteracts a working pressure from the sides of the working space 40. This working pressure is different depending on the working phase on each piston 27. This leads for each piston 27 to a different differential pressure and these differences change the inclination and the position of the coupling plate 28, so the inclination adjustment 16, and thus the piston stroke of the individual pistons 27. It can be provided that the
  • Coupling plate 28 is slidably mounted on the axis 14 via a mechanism within defined limits. In addition, centrifugal forces influence the position of the coupling disk 28.
  • the speed of the Axialkolbenexpanders 11 is determined by the speed of the internal combustion engine 1.
  • the Axialkolbenexpander 1 1 is forcibly guided over the connection of its drive shaft 4 with the internal combustion engine 1.
  • speed changes of the internal combustion engine lead to changes in the speed of the axial piston expander 11, as a result of which the expansion ratio and / or the
  • the waste heat utilization device 2 is equipped with a control device 19, which the Hubeinstell responded in accordance with the operating condition of the
  • Internal combustion engine 1 controls. Typically, the operating state is recorded on the basis of definable operating parameters, with the detected
  • control device 19 detects the operating state of the internal combustion engine 1, assigns these from an expander map to the appropriate target stroke and regulates this via the Hubeinstell sensible.
  • the controller 19 can thus the
  • Tilt adjustment 16 of Hubeinstell drove the Axialkolbenexpanders 1 1 depending on the operating state of the internal combustion engine 1 actuate.
  • the Axialkolbenexpander 11 can be controlled so that it in normal operation at any speed of the engine 1 drive power in the drive train 7 of
  • Internal combustion engine 1 can transmit.
  • control device 19 with the internal combustion engine 1, in particular with a not shown engine control unit of the internal combustion engine 1, and with the Axialkolbenexpander 11 or with the Hubeinstell responded or the
  • Tilt adjustment 16 coupled.
  • control device 19 based on the
  • the part 20 of the drive train 7, with which the output shaft 14 is coupled, drives in the example at least one auxiliary unit 21, z.
  • a pump 22 or a generator 23 or an alternator 23 and is coupled via a controllable coupling device 24 with the rest of the drive train 7.
  • the control device 19 the
  • Coupling device 24 for decoupling the drive train part 20 from the rest
  • Push operation or idling operation of the internal combustion engine 1 it actuates the coupling device 24 for decoupling coupled to the output shaft 14 portion 20 of the drive train 7 from the rest of the drive train 7.
  • the drives Axialkolbenexpander 11 only the respective auxiliary unit 21, while the
  • Internal combustion engine 1 can be operated without drive power. In particular, this can increase the energy that can be recovered in a recuperator.
  • a direct coupling between the output shaft 14 and the part of the drive train 7 directly connected to the internal combustion engine 1 can be provided via a controllable coupling device 24
  • control device 19 may also be configured such that it operates the axial piston expander 11 as an axial piston compressor during a cold start of the waste heat utilization device 2, in order to convey the working fluid from the evaporator 10 in the direction of the condenser 12. This allows the components of the
  • Waste heat recovery circuit 8 are brought to operating temperature faster. Furthermore, the risk of damage to the conveyor 9, in particular by cavitation, can be reduced.
  • the generator 23 can be operated as an electric motor, wherein at the same time the coupling device 24 can be controlled to open.
  • 19 operating states of the waste heat recovery device 2 are stored in the control device, which a cold start operation, a
  • the control device 19 detects which operating state is present and controls the axial piston expander 11 or the stroke adjusting device in accordance with these operating states.
  • the axial piston expander 11 comprises the output shaft 14, which is rotatably mounted about an axis of rotation 25 and can be tapped at the mechanical drive power. Furthermore, the Axialkolbenexpander 11 comprises a plurality of cylinders 26 which are oriented parallel to the axis of rotation 25, that are axially aligned. Furthermore, the cylinders 26 are arranged distributed around the rotation axis 25 with respect to the rotation axis 25 in the circumferential direction. In the example, only two cylinders 26 are shown. It is clear that the axial piston expander 11 may also have more than two cylinders 26. Further, a piston 27 is provided for each cylinder 26, which is arranged in the respective cylinder 26 parallel to the rotation axis 25 adjustable in stroke.
  • a coupling disc 28 is drivingly connected to the pistons 27 and to the output shaft 4.
  • An inclination 29 of the coupling disc 28 relative to the axis of rotation 25 determines the stroke of the Piston 27.
  • the upper piston 27 is in its bottom dead center, in which the associated cylinder 26 has its maximum cylinder volume 40, while the lower piston 27 is in its top dead center, in which the associated cylinder 26 its minimum cylinder volume having.
  • the piston stroke is defined by the travel of the piston 27 between top dead center and bottom dead center.
  • the individual cylinders 26 are each fluidically connected on the one hand to the high-pressure inlet 17 and on the other hand to the low-pressure outlet 18.
  • a valve device 30 is provided for controlling these fluidic connections between the cylinders 26 and the high-pressure inlet 17 and the low-pressure outlet 18.
  • a pressure control device 42 is arranged. In a
  • this pressure control device 42 is designed as a constant throttle.
  • the stroke adjusting device according to the invention shown in FIG. 1 has a low-pressure bypass 44 branching off from the connection between condenser 12 and expander 11, in which a pressure regulating device 45 is arranged according to the embodiment shown in FIG. In one embodiment, this is
  • Pressure control device 42 designed as a clock valve.
  • the valve device 30 has an inlet valve 31 and an outlet valve 32 per cylinder 26.
  • the respective inlet valve 31 controls the fluidic connection between the In contrast, the respective outlet valve 32 controls the fluidic connection between the respective cylinder 26 and the low-pressure outlet 18.
  • the respective inlet valve 31 can be designed such that it can be actuated by the associated piston 27 in the region of top dead center for opening.
  • the respective piston 27 for this purpose with a
  • Actuator 33 may be equipped, which actuates the associated inlet valve 31 to open in the region of top dead center of the piston 27.
  • the actuating element 33 is a projection which projects axially from the piston 27, ie, parallel to the axis of rotation 25.
  • the respective includes
  • Inlet valve 31 a valve element 34, which between one shown in Fig. 3
  • Closed position and an open position is adjustable.
  • the projection 33 contacted in the region of the top dead center of the piston 27, the valve element 34 and moves it in its open position.
  • the inlet valve 31 is a flutter valve
  • valve element 34 is a flap, which is also referred to below as 34 and which is pivotable about a pivot axis 35.
  • Pivot axis 35 extends in a plane which is perpendicular to the axis of rotation 25.
  • the flap 34 is on a side facing away from the piston 27 side of a
  • Inlet opening 36 of the cylinder 26 is arranged. In this way, the flap 34 is biased by the inlet-side high pressure into its firing position.
  • the valve device 30 may have a control disk 37 which rotates about the axis of rotation 25 and with which the fluidic connection between the respective cylinder 26 and the low-pressure outlet 18 can be controlled.
  • the control disk 37 according to FIG. 4 has at least one control slot 38, which axially, ie parallel to, the control disk 37
  • Rotary axis 25 interspersed.
  • the control slot 38 extends, for example, circular arc-shaped with respect to the axis of rotation 25th
  • the control disk 37 may be appropriate rotatably mounted on the output shaft 14. Further, the control disk 37 may be positioned relative to the respective cylinder 26 so as to directly control an exhaust port 39 of the respective cylinder 26.
  • the respective outlet valve 32 operates so that the fluidic connection between the respective cylinder 26 and the low-pressure outlet 18 is always opened is, when the control slot 38 due to the relative rotational position of the control disk 37 with respect to the respective cylinder 26 axially aligned with the respective outlet opening 39 of the respective cylinder 26. If, on the other hand, the control disk 37 is in a rotational position in which the control slot 38 is not in alignment with the associated outlet opening 39 of the relevant cylinder 26, the control disk 37 closes the said outlet opening 39.
  • the Axialkolbenexpander 11 used here is particularly easy as
  • Low pressure inlet is used when the low pressure outlet 18 as
  • High-pressure outlet is used and when the output shaft 14 is used as a drive shaft for driving the axial piston compressor.
  • the inclination adjustment device 6 can then be used as a delivery rate setting device in the axial piston compressor, with the aid of which the delivery rate, in particular volume and / or pressure, can be controlled independently of the rotational speed of the drive shaft (output shaft 4).
  • the Axialkolbenkompressor comprises: a drive shaft 14 which is rotatably mounted about a rotation axis 25, and in which for driving the Axialkolbenkompressors mechanical drive power can be introduced, a plurality of cylinders 26 which are parallel to Rotation axis 25 are oriented and in
  • Circumferentially distributed around the axis of rotation 25 are arranged, a plurality of pistons 27, which are arranged in each case in one of the cylinders 26 parallel to the rotation axis 25 adjustable in height, a coupling disc 28 which with all the piston 27 and with the
  • Drive shaft 14 is drivingly connected and whose inclination 29 relative to the
  • Rotation axis 25 determines the stroke of the piston 27, with a low pressure inlet 17, which is fluidly connected to the cylinders 26, with a high pressure outlet 18, which is fluidly connected to the cylinders 26, with a valve means 30 for controlling the fluidic connections between the cylinders 26th and the low pressure inlet 17 and the high pressure outlet 18, a
  • High pressure outlet of the axial piston compressor is used as Niederbuchauslass 18 of Axialkolbenexpanders, the redesigniereseinstell responded the axial piston compressor is used as Hubeinstell issued the Axialkolbenexpanders 11, with which the stroke of the piston 27 is independent of the speed and a pressure difference between high pressure and low pressure controllable.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Axialkolbenexpander für eine Abwärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges mit einer Abtriebswelle (14), die um eine Rotationsachse (25) drehbar gelagert ist und an der mechanische Antriebsleistung abgreifbar ist, mit mehreren Zylindern (26), die parallel zur Rotationsachse (25) orientiert sind und in Umfangsrichtung verteilt um die Rotationsachse (25) angeordnet sind, mit mehreren Kolben (27), die jeweils in einem der Zylinder (26) parallel zur Rotationsachse (25) hubverstellbar angeordnet sind, mit einer Kopplungsscheibe (28), die mit allen Kolben (27) und mit der Abtriebswelle (14) antriebsverbunden ist, mit einem Hochdruckeinlass (17), der fluidisch mit den Zylindern (26) verbunden ist, mit einem Niederdruckauslass (18), der fluidisch mit den Zylindern (26) verbunden ist, mit einer Ventileinrichtung (30) zum Steuern der fluidischen Verbindungen zwischen den Zylindern (26) und dem Hochdruckeinlass (17) sowie dem Niederdruckauslass (18). Erfindungsgemäß weist der Axialkolbenexpander für eine Abwärmenutzungsvorrichtung (2) eines Kraftfahrzeugs eine Hubeinstelleinrichtung auf, wobei der Hub der Kolben (27) über eine Regelung des Druckes in einem Triebraum (43) einstellbar ist. Erfindungsgemäß ist die Expansionsmaschine ein mittels eines Triebraumducks hubregelbarer Axialkolbenexpander (11), dessen Abtriebswelle (14) zur Übertragung mechanischer Antriebsleistung mit dem Triebstrang (7) der Brennkraftmaschine (1) gekoppelt oder koppelbar ist.

Description

Abwärmenutzungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung, einen
Axialkolbenexpander für eine derartige Abwärmenutzungsvorrichtung sowie eine
Verwendung eines Axialkolbenkompressors.
Eine konventionelle Abwärmenutzungsvorrichtung ist bspw. aus der EP 1 533 494 A2 bekannt. Sie umfasst einen Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreis ist eine Fördereinrichtung zum Antreiben des flüssigen Arbeitsmediums angeordnet. Stromab dieser Fördereinrichtung ist im
Abwärmenutzungskreis ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums angeordnet. Ferner ist im Abwärmenutzungskreis stromab des Verdampfers eine
Expansionsmaschine zum Entspannen des Arbeitsmediums vorgesehen. Stromab dieser Expansionsmaschine befindet sich ein Kondensator zum Kondensieren des
Arbeitsmediums. Bei der bekannten Abwärmenutzungsvorrichtung treibt die
Expansionsmaschine einen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie an. Der Verdampfer ist mit Hilfe eines Brenners beheizt, der in einem Kraftfahrzeug zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
Eine derartige Abwärmenutzungsvorrichtung arbeitet üblicherweise nach dem Prinzip des Clausius-Rankine-Kreisprozesses.
Aus der DE 10 2007 051 127 A1 ist eine Klimaanlage bekannt, die in einem
Kühlmittelkreis einen Axialkolbenkompressor zum Antreiben des gasförmigen Kühlmittels enthält. Der Axialkolbenkompressor besitzt ein variables Hubvolumen, so dass die Förderleistung, insbesondere Fördervolumen und/oder Förderdruck, unabhängig von einer Drehzahl einer Antriebswelle des Axialkolbenkompressors eingestellt werden kann.
Axialkolbenkompressoren mit verstellbarem Hub sind bspw. aus der DE 101 24 033 B4, aus der DE 101 24 034 A1 , aus der DE 101 24 031 B4, aus der EP 0 964 997 B1 und aus der DE 103 43 570 A1 bekannt. Üblicherweise umfasst ein derartiger Axialkolbenkompressor eine Antriebswelle, die um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist und in die zum Antreiben des Axialkolbenkompressors mechanische Antriebsleistung einleitbar ist. Ferner sind mehrere Zylinder vorgesehen, die parallel zur Rotationsachse orientiert sind und in Umfangsrichtung verteilt um die Rotationsachse angeordnet sind. In jedem dieser Zylinder ist je ein Kolben parallel zur Rotationsachse hubverstellbar angeordnet. Des Weiteren ist eine Kopplungsscheibe vorgesehen, die mit allen Kolben und mit der Antriebswelle antriebsverbunden ist und deren Neigung gegenüber der Rotationsachse den Hub der Kolben bestimmt. Ein Niederdruckeinlass ist fluidisch mit den Zylindern verbunden. Ein Hochdruckauslass ist ebenfalls mit den Zylindern fluidisch verbunden. Ferner kann eine Ventileinrichtung zum Steuern der fluidischen Verbindungen zwischen den Zylindern und dem Niederdruckeingang sowie dem Hochdruckausgang vorgesehen sein. Um die Förderleistung des Axialkolbenkompressors unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle einstellen zu können, kann eine Hubeinstelleinrichtung vorgesehen sein, mit deren Hilfe der Hub der Kolben einstellbar ist. Beispielsweise kann hierzu die Neigung der Kopplungsscheibe relativ zur Rotationsachse verstellt werden, wodurch eine Variation des Hubs der Kolben erfolgt.
Mit Hilfe einer Abwärmenutzungsvorrichtung kann bei einer Brennkraftmaschine, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, Wärme genutzt werden, um den energetischen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs zu verbessern. Hierzu wird mit Hilfe der Expansionsmaschine der
Abwärmenutzungsvorrichtung Wärme in mechanische Antriebsleistung gewandelt, die dann in eine weitere, von Wärme abweichende Energieform gewandelt wird, z. Bsp. in elektrische Energie. Die so gewonnene elektrische Energie kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine bzw. des damit ausgestatteten Fahrzeugs verbessert.
Erwünscht ist bei Fahrzeuganwendungen häufig eine Unterstützung der Antriebsleistung der Brennkraftmaschine durch die Abwärmenutzungsvorrichtung. Sofern mit Hilfe der Abwärmenutzungsvorrichtung zunächst aus der Abwärme elektrische Energie gewonnen wird und diese anschließend über wenigstens einen Elektromotor in mechanische Antriebsleistung gewandelt wird, um die Brennkraftmaschine zu unterstützen, ergibt sich nur ein vergleichsweise kleiner Nutzen, da die mit Hilfe der Expansionsmaschine bereitgestellte mechanische Arbeit unter Verlusten in elektrische Energie und
anschließend unter weiteren Verlusten wieder zurück in mechanische Arbeit gewandelt wird. Eine direkte Nutzung der von der Expansionsmaschine bereitgestellten
mechanischen Leistung zur Unterstützung der Brennkraftmaschine ist bei Fahrzeuganwendungen problematisch, da bei Fahrzeugen die Brennkraftmaschine häufig Betriebszustände mit unterschiedlicher Last und/oder Drehzahl aufweist. Eine
Unterstützung der Antriebsleistung der Brennkraftmaschine durch die
Abwärmenutzungsvorrichtung bringt es daher mit sich, dass sich auch die Drehzahl der Expansionsmaschine entsprechend mitändert. Eine Drehzahländerung der
Expansionsmaschine führt in der typischerweise als Clausius-Rankine-Kreisprozess ausgebildeten Abwärmenutzungsvorrichtung zu Veränderungen. Beispielsweise kann sich der Durchsatz de Expansionsmaschine ändern, die Wärmeaufnahme im Verdampfer, der Wert des Hochdrucks und/oder des Niederdrucks, die Druckdifferenz am Expander und vieles mehr. Dabei können sich innerhalb der Abwärmenutzungsvorrichtung auch
Betriebszustände einstellen, die außerhalb geeignet abgestimmter Parameter liegen, für welche die Abwärmenutzungsvorrichtung ausgelegt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Axialkolbenexpander und eine
Abwärmenutzungsvorrichtung anzugeben, die eine verbesserte mechanische
Unterstützung der Brennkraftmaschine durch die Abwärmenutzungsvorrichtung ermöglicht. Weiteres Ziel ist es, damit den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenexpander für eine Abwärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges mit einer Abtriebswelle, die um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist und an der mechanische Antriebsleistung abgreifbar ist, mit mehreren Zylindern, die parallel zur Rotationsachse orientiert sind und in Umfangsrichtung verteilt um die Rotationsachse angeordnet sind, mit mehreren Kolben, die jeweils in einem der Zylinder parallel zur Rotationsachse hubverstellbar angeordnet sind, mit einer
Kopplungsscheibe, die mit allen Kolben und mit der Abtriebswelle antriebsverbunden ist, mit einem Hochdruckeinlass, der fluidisch mit den Zylindern verbunden ist, mit einem Niederdruckauslass, der fluidisch mit den Zylindern verbunden ist, mit einer
Ventileinrichtung zum Steuern der fluidischen Verbindungen zwischen den Zylindern und dem Hochdruckeinlass sowie dem Niederdruckauslass. Erfindungsgemäß weist der Axialkolbenexpander für eine Abwärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs eine Hubeinstelleinrichtung auf, wobei der Hub der Kolben über eine Regelung des Druckes in einem Triebraum einstellbar ist.
Die Hubsteuerung für die Kolben kann bspw. dadurch realisiert werden, dass auf der Hochdruckseite des Abwärmenutzungskreises stromauf des Hochdruckeinlasses des Axialkolbenexpanders ein Teilstrom des Arbeitsmediums, der vorzugsweise weniger als 10% des Gesamtstroms beträgt, über eine erste Drossel in einen Triebraum des
Axialkolbenexpanders geleitet wird und dann über eine zweite Drossel auf die
Niederdruckseite des Abwärmenutzungskreises stromab des Niederdruckauslasses rückgeführt wird. Eine der beiden Drosseln ist als steuerbares Element realisiert, z. Bsp. als Taktventil, wodurch es möglich ist, den Druck im Triebraum einzustellen. Über eine derartige Triebraumdrucksteuerung kann der Hub der Kolben eingestellt werden. Die Hubregelung erfolgt somit über eine Triebraumdruckregelung. Die
Triebraumdruckregelung erfolgt somit durch eine Regelung des Hochdrucks im Bypass bzw. des Niederdrucks im Bypass, wobei der Bypass der durch den Triebraum geführte Strömungspfad für den Teilstrom ist. Zweckmäßig besitzt der Bypass eine
Konstantdrossel und eine einstellbare Drossel, wie z. Bsp. ein Taktventil. Auf diese Weise kann der Triebraumdruck auf einen Druckwert eingestellt werden, der zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Abwärmenutzungskreises liegt.
Hierdurch ist es möglich, die Expansionsmaschine unmittelbar mechanisch mit einem Triebstrang der Brennkraftmaschine zu koppeln. Variierende Betriebszustände der Brennkraftmaschine, die zu unterschiedlichen Drehzahlen im Triebstrang führen, stellen kein Problem für die Expansionsmaschine dar, da die Drehzahl der Abtriebswelle des Axialkolbenexpanders über den Durchtrieb zur Brehnkraftmaschine zwangsgeführt ist. Bei einer Veränderung der Drehzahl der Abtriebswelle verändern sich die Hubzeiten der Kolben. Eine Veränderung der Drehzahl der Abtriebswelle verändert auch den
Massenstrom am Expander und damit die Wärmeaufnahme im Verdampfer. Dabei kann die Abwärmenutzungsvorrichtung an Wirkungsgrad verlieren. Durch die
erfindungsgemäße Veränderung des Kolbenhubs kann der Abwärmenutzungskreis hinreichend schnell angepasst werden. Dabei kann der Massenstrom nachgeregelt werden, z.B. mit dem Ziel die die Druckverhältnisse gleich zu halten oder die
Abwärmenutzungsvorrichtung kann in einen günstigen Betriebspunkt geregelt werden.
Hierdurch die lassen sich die Verluste vermeiden, die durch die Mehrfachumwandlung der Energieform von thermischer Energie über kinetische in elektrische Energie und ggf. wieder in kinetische Energie bzw. durch einen Betrieb des Abwärmenutzungskreises außerhalb optimierter Randbedingungen auftreten können.
Der Begriff„Kolbenhub" bezeichnet dabei die Hubstrecke des Kolbens zwischen seinen Wendepunkten, also zwischen einem dem minimalen Zylindervolumen zugeordneten oberen Totpunkt und einem dem maximalen Zylindervolumen zugeordneten unteren Totpunkt Damit lässt sich eine Hubregelung darstellen, deren Grenzen von den aktuellen Druckverhältnissen in der Abwärmenutzungsvorrichtung bestimmt sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Axialkolbenexpander dadurch gekennzeichnet, dass der Triebraum mit einem Hochdruck-Bypass des Hochdruckauslasses zur
Einstellung des Triebraumdrucks verbindbar ist.
Damit kann der Triebraumdruck maximal einen Wert annehmen, der dem in den
Kolbenraum eingebrachten Hochdruck entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Triebraum des Axialkolbenexpanders mit einem Niederdruck-Bypass des Niederdruckauslasses zur Einstellung des Triebraumdrucks verbindbar.
Damit kann der Triebraumdruck minimal einen Wert annehmen, der dem Niederdruck entspricht, mit dem das expandierte Arbeitsmedium dem Kolbenraum entströmt. Darüber hinaus wird das abgezweigte Arbeitsmedium über den Niederdruck-Bbypass wieder in den Kreislauf der Abwärmenutzungsvorrichtung eingespeist und geht diesem nicht als Arbeitsmedium verloren.
Gemäß einer Ausführungsform weist mindestens ein Bypass eine
Druckeinstelleinrichtung auf.
Mittels dieser Druckeinstelleinrichtung kann der Triebraumdruck bzw. der dem Triebraum zugeführte Druck eingestellt werden. Der Triebraumdruck wirkt vom Triebraum aus auch auf die Kolben. Entgegengerichtet dazu wirkt auf die Kolben auch der im Kolbenraum anstehende Druck. Es ergibt sich ein Differenzdruck, mit dem der Kolben entlang seiner Kolbenstange an der Neigungseinstellungseinrichtung des Axialkolbenexpanders zieht oder drückt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Druckeinstelleinrichtung als ein Taktventil, als eine Konstantdrossel oder sonstige Drossel ausgebildet. Diese Regeleinrichtungen sind besonders geeignet, eine Druckzufuhr oder
Druckreduzierung so fein zu regeln, dass sich der gewünschte Druck im Triebraum schnell und genügend genau einstellt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Druckeinstelleinrichtung in dem einen Bypass als Taktventil und in dem anderen Bypass als Drossel ausgebildet. Dabei kann z.B. über eine im Niederdruck-Bypass angeordnete Drossel die angestrebte obere Druckschwelle festgelegt werden, oberhalb der Der Druck in den Niederdruck-Bypass abgelassen werden soll. Das im Hochdruckbypassangeordnete Taktventil führt dann so lange pulsweise Hochdruckarbeitsmedium zu bis die Drossel im Niederdruck-Bypass abbläst. Dann ist der Triebraumdruck auf den mit der Drossel vorgegebenen Wert eingestellt.
Besonders vorteilhaft kann eine derartige Hubeinstelleinrichtung eine
Neigungseinstelleinrichfung sein oder umfassen, mit deren Hilfe die Neigung der
Kopplungsscheibe relativ zur Rotationsachse einstellbar ist. Da die Neigung der
Kopplungsscheibe relativ zur Rotationsachse über die mechanische Kopplung zwischen der Kopplungsscheibe und den Kolben den Kolbenhub bestimmt, kann durch Verändern der Neigung zwischen Kopplungsscheibe und Rotationsachse der Kolbenhub einfach variiert werden.
Bei einer anderen Ausführungsform kann eine Ventileinrichtung, die zum Steuern der fluidischen Verbindungen zwischen den Zylindern und dem Hochdruckeinlass sowie dem Niederdruckauslass vorgesehen ist, je Zylinder ein Einlassventil zum Steuern der fluidischen Verbindung zwischen dem jeweiligen Zylinder und dem Hochdruckeinlass aufweisen, das vom zugehörigen Kolben im Bereich des oberen Totpunkts (minimales Zylindervolumen) zum Öffnen betätigt wird. Mit anderen Worten, der jeweilige Kolben betätigt das zugehörige Einlassventil selbst, und zwar stets im Bereich seines oberen Totpunkts, also bei minimalem Zylindervolumen. Hierdurch wird erreicht, dass das Einlassventil stets bei der gleichen, optimierten Kolbenstellung geöffnet wird, was zu einer erhöhten Funktionssicherheit führt.
Besonders vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass der jeweilige Kolben ein
Betätigungselement aufweist, das im Bereich des oberen Totpunkts das jeweilige
Einlassventil zum öffnen betätigt. Insbesondere kann es sich beim jeweiligen
Betätigungselement um einen axial vom Kolben abstehenden Vorsprung handeln, z. Bsp. in Form eines Fingers oder einer Nase, wobei der Vorsprung zum Öffnen des jeweiligen Einlassventils ein Ventilelement des Einlassventils in eine Offenstellung bewegt. Durch diese Merkmale wird eine mechanische Betätigung des jeweiligen Einlassventils erzielt, die sich durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit auszeichnet.
Insbesondere kann das jeweilige Einlassventil als Flatterventil ausgestaltet sein, das sich dadurch charakterisiert, dass es als verstellbares Ventilelement eine um eine
Schwenkachse verschwenkbare Klappe aufweist. Insbesondere erstreckt sich diese Schwenkachse dabei quer zur Hubrichtung des Kolbens, was eine Betätigung der Klappe zum Öffnen durch mechanische Kontaktierung, insbesondere mit Hilfe des
Betätigungselements, vereinfacht.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Ventileinrichtung zum Steuern der fluidischen Verbindung zwischen den Zylindern und dem
Niederdruckauslass eine um die Rotationsachse rotierende Steuerscheibe aufweisen, die zumindest einen die Steuerscheibe axial durchsetzenden Steuerschlitz aufweist. Die fluidische Verbindung zwischen dem Niederdruckauslass und dem jeweiligen Zylinder ist dann geöffnet, wenn der Steuerschlitz axial zum jeweiligen Zylinder fluchtet. Im übrigen Drehbereich der Steuerscheibe ist die fluidische Verbindung zwischen dem
Niederdruckauslass und dem jeweiligen Zylinder dagegen geschlossen. Mit Hilfe einer derartigen Steuerscheibe kann ebenfalls eine zuverlässige Steuerung für die Auslassseite der Zylinder realisiert werden. Insbesondere kann durch die Geometrie, wie z. Bsp. Breite in Radialrichtung und/oder Länge in Umfangsrichtung, des Steuerschlitzes eine
Steuercharakteristik für die Auslassseite der Zylinder realisiert werden, die bspw. die Zeitpunkte für das Auslassöffnen und das Auslassschließen sowie die Länge des
Auslasszeitfensters bestimmt.
Besonders vorteilhaft kann sich der Steuerschlitz kreisbogenförmig bezüglich der Rotationsachse erstrecken. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerscheibe drehfest an der Antriebswelle angebracht sein, wodurch eine einfache und funktionssichere Bauweise realisiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann der jeweilige Zylinder eine Auslassöffnung aufweisen, die mit der Steuerscheibe direkt gesteuert ist. Dies begünstigt einen preiswerten und kompakten Aufbau.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Abwärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, mit einer im Abwärmenutzungskreis angeordneten Fördereinrichtung zum Antreiben des flüssigen Arbeitsmediums, mit einem im Abwärmenutzungskreis stromab der Fördereinrichtung angeordneten Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine, mit einer im Abwärmenutzungskreis stromab des Verdampfers angeordneten Expansionsmaschine zum Entspannen des Arbeitsmediums, mit einem im Abwärmenutzungskreis stromab der Expansionsmaschine angeordneten Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums, wobei die Expansionsmaschine zur Übertragung mechanischer Antriebsleistung mit einem Triebstrang der
Brennkraftmaschine gekoppelt oder koppelbar ist.
Erfindungsgemäß ist die Expansionsmaschine ein mittels eines Triebraumducks hubregelbarer Axialkolbenexpander nach einer der beschriebenen Ausführungsformen, dessen Abtriebswelle zur Übertragung mechanischer Antriebsleistung mit dem
Triebstrang der Brennkraftmaschine gekoppelt oder koppelbar ist.
Bei einer Abwärmenutzungsvorrichtung, die mit einem Axialkolbenexpander der hier vorgestellten Art ausgestattet ist, bzw. bei einer Brennkraftmaschine, die mit einer derartigen Abwärmenutzungsvorrichtung ausgestattet ist, kann zweckmäßig eine
Steuereinrichtung vorgesehen sein, welche im Normalbetrieb den Betriebszustand der Brennkraftmaschine überwacht und davon abhängig die Hubeinstelleinrichtung des Axialkolbenexpanders so regelt, dass die Abwärmenutzungsvorrichtung die
Brennkraftmaschine in ihrer Antriebsleistung unterstützt. Hierdurch ist es möglich, dass die Abwärmenutzungsvorrichtung in allen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine über ihren Axialkolbenexpander Antriebsleistung in den Triebstrang der
Brennkraftmaschine einbringen kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die den Axialkolbenexpander bei einem Kaltstart der Abwärmenutzungsvorrichtung als Axialkolbenkompressor betreibt. Dabei wird der Axialkolbenexpander als
Axialkolbenkompressor verwendet, mit der Abtriebswelle als einer Antriebswelle, einem Niederdruckeinlass und einem Hochdruckauslass, die Hubverstelleinrichtung arbeitet als eine Förderleistungseinstelleinrichtung, mit der beim Axialkolbenkompressor die
Förderleistung (Volumen und/oder Druck) unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle gesteuert werden kann. Bei einem Kaltstart der Abwärmenutzungsvorrichtung befinden sich alle Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung im Wesentlichen auf
Umgebungstemperatur, die deutlich unterhalb der üblichen Betriebstemperatur der Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung liegt. In der Folge besitzt das
Arbeitsmedium innerhalb des Abwärmenutzungskreises einen überhöhten Gasanteil. Die zum Fördern des flüssigen Arbeitsmediums gegen einen vergleichsweise hohen
Hochdruck ausgelegte Fördereinrichtung der Abwärmenutzungsvorrichtung kann bei derartigen niedrigen Drücken bzw. Temperaturen Kavitätsprobleme zeigen, die zu Beschädigungen führen können. Durch die Verwendung des Axialkolbenexpanders als Axialkolbenkompressor kann das Arbeitsmedium auch bei einem hohen Gasanteil einfach gefördert werden, wodurch es möglich ist, im Verdampfer vorgewärmtes Arbeitsmedium einfach im Abwärmenutzungskreis zirkulieren zu lassen, um sämtliche Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung rascher aufwärmen zu können. Die Fördereinrichtung wird dabei entlastet. Gleichzeitig wird die Zeit zur Inbetriebnahme der
Abwärmenutzungsvorrichtung verkürzt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Abtriebswelle mit einem Teil des Triebstrangs gekoppelt sein, der wenigstens ein Hilfsaggregat antreibt, wie z. Bsp. eine Lichtmaschine, einen Generator oder eine Pumpe. Dieser Teil des Triebstrangs ist vom übrigen Triebstrang mittels einer steuerbaren Kopplungseinrichtung entkoppelbar. Eine Steuereinrichtung kann nun so ausgestaltet sein, dass sie in einem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine und/oder in einem Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine die Kopplungseinrichtung zum Entkoppeln des mit der Abtriebswelle gekoppelten Teils des Triebstrangs vom übrigen Triebstrang betätigt. Bei geöffneter Kopplungseinrichtung kann die Abwärmenutzungsvorrichtung über den Axialkolbenexpander beim Schubbetrieb der Brennkraftmaschine dazu genutzt werden, das wenigstens eine Hilfsaggregat
anzutreiben. Somit kann die ohnehin über den Axialkolbenexpander zur Verfügung gestellte mechanische Antriebsleistung sinnvoll genutzt werden. Sofern ein mit der Brennkraftmaschine ausgestattetes Kraftfahrzeug mit einer Rekuperationseinrichtung ausgestattet ist, kann während des Schubbetriebs mehr Energie in eine speicherbare Energieform, vorzugsweise Elektrizität, gewandelt werden, da die Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs keine Antriebsleistung zum Antreiben des jeweiligen
Hilfsaggregats aufbringen muss.
Die Ventilsteuerzeiten können einlassseitig und/oder auslassseitig zweckmäßig so gewählt sein, dass der Axialkolbenexpander keinen Flüssigkeitsschlag erleidet. Gerade bei einem Kaltstart der Abwärmenutzungsvorrichtung kann auch auf der Hochdruckseite flüssiges Arbeitsmedium auftreten. Da dieses vergleichsweise inkompressibel ist, müssen Maßnahmen zur Vermeidung einer Beschädigung realisiert werden, falls es in der Expansionsmaschine zu einer Kompression des Arbeitsmediums kommen kann. Beim hier vorgestellten Axialkolbenexpander kann insbesondere über das Flatterventil ein übermäßiger Druckanstieg im jeweiligen Zylinder vermieden werden. Zweckmäßig kann der Axialkolbenexpander ölgeschmiert sein, wobei das hierzu erforderliche Schmieröl in einem Kreislauf umgepumpt werden kann. Insbesondere kann auch ein schmierfähiges Arbeitsmedium wie z. Bsp. Silikonöl verwendet werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Abtriebswelle des Axialkolbenexpanders an zwei voneinander abgewandten Stirnseiten aus dem
Axialkolbenexpander herausgeführt sein, so dass die Abtriebswelle zwei Wellenausgänge ausweist, wobei der eine Wellenausgang, insbesondere über eine Kopplungseinrichtung, mit dem Triebstrang der Brennkraftmaschine antriebsmäßig gekoppelt ist, während der andere Wellenausgang mit einem Generator antriebsmäßig verbunden sein kann.
Der Axialkolbenexpander kann unter anderem als Taumelscheibenexpander oder Schwenkringexpander oder Schwenkscheibenexpander oder Wobbelplattenexpander ausgestaltet sein.
Damit der Axialkolbenexpander während des Kaltstartbetriebs als Axialkolbenverdichter verwendet werden kann, kann es erforderlich sein, die Öffnungszeiten und/oder
Schließzeiten der Einlassventile und/oder der Auslassventile der einzelnen Zylinder zu verändern, um die gewünschte Pumpfunktion für den Kaltstartbetrieb realisieren zu können.
Der Axialkolbenexpander kann auf ein Druckverhältnis von 1 :50 bis 1 :3 ausgelegt sein. Die Zylinderzahl des Axialkolbenexpanders beträgt bevorzugt drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, elf Zylinder. Die Kopplung der Abtriebswelle des
Axialkolbenexpanders mit dem Triebstrang der Brennkraftmaschine erfolgt zweckmäßig über einen Zahnriemen oder über einen Kettenantrieb oder über einen Zahnradantrieb.
Zur Schwingungsdämpfung bzw. Schwingungsentkopplung können
Drehschwingungsdämpfer oder Gummielemente vorgesehen sein. Zur Isolation des Heißgaskanals im Expandereinlass bis zum Verdichter können Keramikscheiben, insbesondere Siliziumscheiben, oder Kunststoffscheiben vorgesehen sein. Des Weiteren kann um den gesamten Axialkolbenexpander bzw. um eine Einheit aus
Axialkolbenexpander und damit antriebsverbundenem Generator eine Ummantelung vorgesehen sein, um diese Komponente bzw. Einheit, thermisch zu isolieren. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche
Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer
Brennkraftmaschine mit Abwärmenutzungsvorrichtung,
Fig. 2 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines
Axialkolbenexpanders mit einer erfindungsgemäßen
triebraumdurckgeführten Hubregelung,
Fig. 3 eine stark vereinfachte, prinzipielle Detailansicht des Axialkolbenexpanders im Bereich eines Zylinders,
Fig. 4 eine stark vereinfachte, prinzipielle Draufsicht auf eine Steuerscheibe des
Axialkolbenexpanders.
Entsprechend Fig. 1 kann eine Brennkraftmaschine 1 , die insbesondere in einem
Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung 2
ausgestattet sein, mit deren Hilfe Abwärme genutzt werden kann, die in Fig. 1 durch einen Pfeil 3 angedeutet ist. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Motorblock 4, eine Frischluftanlage 5 und eine Abgasanlage 6. Die Brennkraftmaschine 1 treibt einen Triebstrang 7 an, der übliche Komponenten wie eine Kurbelwelle, ein Getriebe, ein Schwungrad und dgl. umfassen kann. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 umfasst einen Abwärmenutzungskreis 8, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. In diesem Abwärmenutzungskreis 8 sind in der Fließrichtung des Arbeitsmediums hintereinander eine Fördereinrichtung 9, ein Verdampfer 10, eine Expansionsmaschine 11 und ein Kondensator 12 angeordnet. Die Fördereinrichtung 9, die bevorzugt als volumetrische Pumpe ausgestaltet sein kann, treibt das flüssige
Arbeitsmedium an. Zum Antrieb der Fördereinrichtung 9 kann diese mit einem
Antriebsmotor 13 ausgestattet sein.
Der Verdampfer 10 dient zum Verdampfen des Arbeitsmediums, wobei der Verdampfer 10 die Abwärme 3 der Brennkraftmaschine 1 nutzt. Im Beispiel ist der Verdampfer 10 wärmeübertragend mit der Abgasanlage 6 gekoppelt. Insbesondere kann der Verdampfer 10 als Wärmeübertrager ausgestaltet sein, der mehr oder weniger in die Abgasanlage 6 integriert sein kann. Weitere Beispiele für geeignete Wärmequellen ist die Nutzung von Abwärme aus einem Kühlwasserkreis, aus Motor- oder Getriebeöl, die abzuführende Wärme eines Kältemittels einer Klimaanlage oder sonstiger im Kraftfahrzeug anfallender Restwärme.
Die Expansionsmaschine 1 dient zum Entspannen des Arbeitsmediums, wobei die Expansionsmaschine 11 eine Abtriebswelle 14 antreibt. Diese Abtriebswelle 14 ist in Fig. 1 mit dem Triebstrang 7 gekoppelt und zwar derart, dass mechanische Antriebsleistung von der Abtriebswelle 14 auf den Triebstrang 7 übertragen werden kann.
Der Kondensator 12 dient zum Kondensieren des Arbeitsmediums. Hierzu kann der Kondensator 13 an einen Kühlkreis 15 angeschlossen sein, bei dem es sich insbesondere um einen Kühlkreis der Brennkraftmaschine 1 handeln kann.
Die Expansionsmaschine 11 ist bei der hier vorgestellten Abwärmenutzungsvorrichtung 2 als Axialkolbenexpander ausgestaltet, der im Folgenden ebenfalls mit dem
Bezugszeichen 11 bezeichnet wird. Dieser Axialkolbenexpander 11 ist mit einer
Neigungseinstelleinrichtung 16 ausgestattet, mit der es möglich ist, den Hub des
Axialkolbenexpanders 11 einzustellen.
Die Neigungseinstelleinrichtung 16 bildet zusammen mit einer
Triebraumduckregeleinrichtung eine Hubeinstelleinrichtung des Axialkolbenexpanders 11. Die Triebraumdruckregeleinrichtung weist mindestens einen Hochdruck-Bypass 41 mit einer Druckregeleinrichtung 42, mindestens einen Niederdruck-Bypass 44 mit einer Druckregeleinrichtung 45, einen Triebraum 43 des Axialkolbenexpander 11 und eine Steuereinrichtung 19 auf. Dazu zweigt von der Verbindung zwischen Verdampfer 10 und Axialkolbenexpander 11 vor jedem Einlassventil 31 eines Zylinders 26 ein Bypass 41 ab, der den Triebraum 43 des Axialkolbenexpander 11 über eine Druckregeleinrichtung 42 mit dem Hochdruck des Abwärmenutzungskreis 8 am Expandereinlass 17 verbindet. Des weiteren ist jeder Auslass 18 eines Zylinders 26 mit einem Bypass 44 verbunden der den Triebraum 43 über eine Druckregeleinrichtung 45 mit dem Niederdruck des
Expanderauslasses 18 verbindet. Über die Steuereinrichtung 19 kann mittels der Druckregeleinrichtung 42 und/oder 45 der Triebraumdruck geregelt werden, wobei dieser mindestens den am Auslass 18 anliegenden Niederdruck und höchstens den am Einlass 17 anstehenden Hochdruck annehmen kann.
Der Druck im Triebraum 43 wirkt im ganzen Triebraum 43 und damit auch von der Triebraumseite aus auf die Kolben 27. Dabei wirkt auf alle Kolben zu gleicher Zeit auch der gleiche Triebbraumdruck. Dem auf den Kolben 27 wirkenden Druck im Triebraum 43 wirkt von Seiten des Arbeitsraums 40 her ein Arbeitsdruck entgegen. Dieser Arbeitsdruck ist je nach Arbeitsphase an jedem Kolben 27 ein anderer. Dies führt für jeden Kolben 27 zu einem anderen Differenzdruck und diese Unterschiede verändern die Neigung und die Lage der Kopplungsscheibe 28, also der Neigungseinstelleinrichtung 16, und damit den Kolbenhub der einzelnen Kolben 27. Dabei kann vorgesehen sein, dass die
Kopplungsscheibe 28 auf der Achse 14 über einen Mechanismus in definierten Grenzen verschiebbar angeordnet ist. Darüber hinaus beeinflussen Fliehkräfte die Position der Kopplungsscheibe 28.
Typischerweise ist die Drehzahl des Axialkolbenexpanders 11 durch die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 vorgegeben. Bevorzugt wird der Axialkolbenexpander 1 1 über die Verbindung seiner Antriebswelle 4 mit der Brennkraftmaschine 1 zwangsgeführt. Dabei führen Drehzahländerungen der Brennkraftmaschine zu Drehzahländerungen des Axialkolbenexpanders 11 , wodurch sich das Expansionsverhältnis und/oder der
Durchfluss des Axialkolbenexpanders 11 ändern kann. Die sich aus ergebenden
Änderung im Abwärmenutzungskreis 8 können dabei die Effektivität des
Abwärmenutzungskreis 8 beeinflussen. Dem regelt die Hubverstellung entgegen. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 ist mit einer Steuereinrichtung 19 ausgestattet, welche die Hubeinstelleinrichtung nach Maßgabe des Betriebszustandes der
Brennkraftmaschine 1 steuert. Typischerweise wird der Betriebszustand anhand festlegbarer Betriebsparameter erfasst, wobei es sich bei den erfassten
Betriebsparametern bevorzugt um die Drehzahl und die Last der Brennkraftmaschine 1 handelt.
Dazu erfasst die Steuereinrichtung 19 den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 , ordnet diesen aus einem Expanderkennfeld den geeigneten Sollhub zu und regelt diesen über die Hubeinstelleinrichtung ein. Die Steuereinrichtung 19 kann damit die
Neigungseinstelleinrichtung 16 der Hubeinstelleinrichtung des Axialkolbenexpanders 1 1 abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 betätigen. Somit kann der Axialkolbenexpander 11 so angesteuert werden, dass er im Normalbetrieb bei jeder Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 Antriebsleistung in den Triebstrang 7 der
Brennkraftmaschine 1 übertragen kann.
Typischerweise ist die Steuereinrichtung 19 dazu mit der Brennkraftmaschine 1 , insbesondere mit einem nicht gezeigten Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 1 , und mit dem Axialkolbenexpander 11 bzw. mit der Hubeinstelleinrichtung bzw. der
Neigungseinstelleinrichtung 16 gekoppelt.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 19 anhand des
Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 1 die zu erwartende Wärmelast am
Verdampfer 3 und/oder die Drehzahl am Expander ermittelt.
Der Teil 20 des Triebstrangs 7, mit dem die Abtriebswelle 14 gekoppelt ist, treibt im Beispiel zumindest ein Hilfsaggregat 21 , z. Bsp. eine Pumpe 22 oder einen Generator 23 bzw. eine Lichtmaschine 23, an und ist über eine steuerbare Kopplungseinrichtung 24 mit dem übrigen Triebstrang 7 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 19 kann die
Kopplungseinrichtung 24 zum Entkoppeln des Triebstrangteils 20 vom übrigen
Triebstrang 7 betätigen. Hierzu überwacht die Steuereinrichtung 19 den aktuellen
Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1. Stellt die Steuereinrichtung 19 einen
Schubbetrieb oder einen Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 1 fest, betätigt sie die Kopplungseinrichtung 24 zum Entkoppeln des mit der Abtriebswelle 14 gekoppelten Teils 20 des Triebstrangs 7 vom übrigen Triebstrang 7. In der Folge treibt der Axialkolbenexpander 11 nur noch das jeweilige Hilfsaggregat 21 an, während die
Brennkraftmaschine 1 ohne Antriebsleistung betrieben werden kann. Insbesondere kann dadurch die Energie, die in einem Rekuperator rückgewonnen werden kann, vergrößert werden.
Ebenso kann eine direkte Ankopplung zwischen der Abtriebswelle 14 und dem mit der Brennkraftmaschine 1 direkt verbundenen Teil des Triebstrangs 7 über eine steuerbare Kopplungseinrichtung 24 vorgesehen sein
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung 19 auch so ausgestaltet sein, dass sie bei einem Kaltstart der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 den Axialkolbenexpander 11 als Axialkolbenkompressor betreibt, um das Arbeitsmedium vom Verdampfer 10 in Richtung Kondensator 12 zu fördern. Hierdurch können die Komponenten des
Abwärmenutzungskreises 8 rascher auf Betriebstemperatur gebracht werden. Ferner kann die Gefahr einer Beschädigung der Fördereinrichtung 9, insbesondere durch Kavitätsbildung, reduziert werden. Für den Betrieb des Axialkolbenexpanders 11 als Axialkolbenkompressor kann der Generator 23 als Elektromotor betrieben werden, wobei gleichzeitig die Kopplungseinrichtung 24 zum Öffnen angesteuert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Steuereinrichtung 19 Betriebszustände der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 hinterlegt, die einem Kaltstartbetrieb, einem
Normalbetrieb und einem Schubbetrieb entsprechen. Die Steuereinrichtung 19 erkennt welcher Betriebszustand vorliegt und steuert den Axialkolbenexpander 11 bzw. die Hubeinstelleinrichtung nach Maßgabe dieser Betriebszustände.
Entsprechend Fig. 2 umfasst der Axialkolbenexpander 11 die Abtriebswelle 14, die um eine Rotationsachse 25 drehbar gelagert ist und an der mechanische Antriebsleistung abgegriffen werden kann. Ferner umfasst der Axialkolbenexpander 11 mehrere Zylinder 26, die parallel zur Rotationsachse 25 orientiert sind, also axial ausgerichtet sind. Ferner sind die Zylinder 26 bezogen auf die Rotationsachse 25 in der Umfangsrichtung verteilt um die Rotationsachse 25 angeordnet. Im Beispiel sind nur zwei Zylinder 26 dargestellt. Es ist klar, dass der Axialkolbenexpander 11 auch mehr als zwei Zylinder 26 aufweisen kann. Ferner ist je Zylinder 26 ein Kolben 27 vorgesehen, der im jeweiligen Zylinder 26 parallel zur Rotationsachse 25 hubverstellbar angeordnet ist. Eine Kopplungsscheibe 28 ist mit den Kolben 27 und mit der Abtriebswelle 4 antriebsverbunden. Eine Neigung 29 der Kopplungsscheibe 28 gegenüber der Rotationsachse 25 bestimmt den Hub der Kolben 27. In Fig. 2 befindet sich der obere Kolben 27 in seinem unteren Totpunkt, bei dem der zugehörige Zylinder 26 sein maximales Zylindervolumen 40 besitzt, während der untere Kolben 27 in seinem oberen Totpunkt liegt, in dem der zugehörige Zylinder 26 sein minimales Zylindervolumen aufweist. Der Kolbenhub ist definiert durch den Weg des Kolbens 27 zwischen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt.
Innerhalb des Axialkolbenexpanders 11 sind die einzelnen Zylinder 26 einerseits mit dem Hochdruckeinlass 17 und andererseits mit dem Niederdruckauslass 18 jeweils fluidisch verbunden. Zum Steuern dieser fluidischen Verbindungen zwischen den Zylindern 26 und dem Hochdruckeinlass 17 und dem Niederdruckauslass 18 ist eine Ventileinrichtung 30 vorgesehen.
Des Weiteren ist der Axialkolbenexpander 1 mit der zuvor genannten
Hubeinstelleinrichtung ausgestattet. Mit besagter Hubeinstelleinrichtung kann der Hub der Kolben 27 eingestellt werden. Dazu weist die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Hubeinstelleinrichtung einen von der Verbindung zwischen Verdampfer 10 und Expander 11 abzweigenden Hochdruck-Bypass 41 auf, in dem, gemäß der dargestellten
Ausführungsform, eine Druckregeleinrichtung 42 angeordnet ist. In einer
Ausführungsform ist diese Druckregeleinrichtung 42 als Konstantdrossel ausgeführt.
Des Weiteren weist die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Hubeinstelleinrichtung einen von der Verbindung zwischen Kondensator 12 und Expander 11 abzweigenden Niederdruck-Bypass 44 auf, in dem gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eine Druckregeleinrichtung 45 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist diese
Druckregeleinrichtung 42 als Taktventil ausgeführt.
Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der besagte Hubeinstelleinrichtung eine Neigungseinstelleinrichtung aufweist, die im Folgenden mit 16 bezeichnet wird. Mit Hilfe dieser Neigungseinstelleinrichtung 16 kann die Neigung 29 der Kopplungsscheibe 28 relativ zur Rotationsachse 25 eingestellt werden. Da besagte Neigung 29 mit dem Hub der Kolben 27 korreliert, führt die Neigungsverstellung der Kopplungsscheibe 28 zu einer Hubverstellung der Kolben 27.
Die Ventileinrichtung 30 weist je Zylinder 26 ein Einlassventil 31 und je ein Auslassventil 32 auf. Das jeweilige Einlassventil 31 steuert die fluidische Verbindung zwischen dem jeweiligen Zylinder 26 und dem Hochdruckeinlass 17. Im Unterschied dazu steuert das jeweilige Auslassventil 32 die fluidische Verbindung zwischen dem jeweiligen Zylinder 26 und dem Niederdruckauslass 18.
Entsprechend Fig. 3 kann das jeweilige Einlassventil 31 so ausgestaltet sein, dass es vom zugehörigen Kolben 27 im Bereich des oberen Totpunkts zum Öffnen betätigt werden kann. Beispielsweise kann der jeweilige Kolben 27 hierzu mit einem
Betätigungselement 33 ausgestattet sein, das im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 27 das zugehörige Einlassventil 31 zum Öffnen betätigt. Beispielsweise handelt es sich beim Betätigungselement 33 um einen Vorsprung, der axial, also parallel zur Rotationsachse 25 vom Kolben 27 absteht. In diesem Fall umfasst das jeweilige
Einlassventil 31 ein Ventilelement 34, das zwischen einer in Fig. 3 gezeigten
Schließstellung und einer Offenstellung verstellbar ist. Der Vorsprung 33 kontaktiert im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 27 das Ventilelement 34 und bewegt dieses in dessen Offenstellung. Beispielsweise ist das Einlassventil 31 als Flatterventil
ausgestaltet, so dass das Ventilelement 34 eine Klappe ist, die im Folgenden ebenfalls mit 34 bezeichnet wird und die um eine Schwenkachse 35 verschwenkbar ist. Die
Schwenkachse 35 erstreckt sich dabei in einer Ebene, die senkrecht zur Rotationsachse 25 verläuft. Die Klappe 34 ist an einer vom Kolben 27 abgewandten Seite einer
Einlassöffnung 36 des Zylinders 26 angeordnet. Auf diese Weise wird die Klappe 34 vom einlassseitigen Hochdruck in ihre Schießstellung vorgespannt.
Zur Realisierung des jeweiligen Auslassventils 32 kann die Ventileinrichtung 30 eine Steuerscheibe 37 aufweisen, die um die Rotationsachse 25 rotiert und mit der die fluidische Verbindung zwischen dem jeweiligen Zylinder 26 und dem Niederdruckauslass 18 gesteuert werden kann. Hierzu weist die Steuerscheibe 37 gemäß Fig. 4 zumindest einen Steuerschlitz 38 auf, der die Steuerscheibe 37 axial, also parallel zur
Rotationsachse 25 durchsetzt. Der Steuerschlitz 38 erstreckt sich bspw. kreisbogenförmig bezüglich der Rotationsachse 25.
Gemäß Fig. 3 kann die Steuerscheibe 37 zweckmäßig drehfest an der Abtriebswelle 14 angebracht sein. Ferner kann die Steuerscheibe 37 relativ zum jeweiligen Zylinder 26 so positioniert sein, dass sie eine Auslassöffnung 39 des jeweiligen Zylinders 26 direkt steuern kann. Das jeweilige Auslassventil 32 arbeitet so, dass die fluidische Verbindung zwischen dem jeweiligen Zylinder 26 und dem Niederdruckauslass 18 stets dann geöffnet ist, wenn der Steuerschlitz 38 aufgrund der relativen Drehlage der Steuerscheibe 37 bezüglich des jeweiligen Zylinders 26 axial zur jeweiligen Auslassöffnung 39 des jeweiligen Zylinders 26 fluchtet. Befindet sich die Steuerscheibe 37 dagegen in einer Drehlage, in welcher der Steuerschlitz 38 nicht mit der zugehörigen Auslassöffnung 39 des betroffenen Zylinders 26 fluchtet, verschließt die Steuerscheibe 37 die besagte Auslassöffnung 39.
Der hier verwendete Axialkolbenexpander 11 lässt sich besonders einfach als
Axialkolbenkompressor verwenden, wenn der Hochdruckeinlass 17 als
Niederdruckeinlass verwendet wird, wenn der Niederdruckauslass 18 als
Hochdruckauslass verwendet wird und wenn die Abtriebswelle 14 als Antriebswelle zum Antreiben des Axialkolbenkompressors verwendet wird. Die Neigungseinstelleinrichtung 6 lässt sich beim Axialkolbenkompressor dann als Förderleistungseinstelleinrichtung verwenden, mit deren Hilfe die Förderleistung, insbesondere Volumen und/oder Druck, unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle (Abtriebswelle 4) gesteuert werden kann.
Verwendung eines Axialkolbenkompressors als Axialkolbenexpander 11 , insbesondere in einer Abwärmenutzungsvorrichtung 2. Dabei umfasst der Axialkolbenkompressor: eine Antriebswelle 14, die um eine Rotationsachse 25 drehbar gelagert ist, und in die zum Antreiben des Axialkolbenkompressors mechanische Antriebsleistung einleitbar ist, mehrere Zylinder 26, die parallel zur Rotationsachse 25 orientiert sind und in
Umfangsrichtung verteilt um die Rotationsachse 25 angeordnet sind, mehrere Kolben 27, die jeweils in einem der Zylinder 26 parallel zur Rotationsachse 25 hubverstellbar angeordnet sind, eine Kopplungsscheibe 28, die mit allen Kolben 27 und mit der
Antriebswelle 14 antriebsverbunden ist und deren Neigung 29 gegenüber der
Rotationsachse 25 den Hub der Kolben 27 bestimmt, mit einem Niederdruckeinlass 17, der fluidisch mit den Zylindern 26 verbunden ist, mit einem Hochdruckauslass 18, der fluidisch mit den Zylindern 26 verbunden ist, mit einer Ventileinrichtung 30 zum Steuern der fluidischen Verbindungen zwischen den Zylindern 26 und dem Niederdruckeinlass 17 sowie dem Hochdruckauslass 18, eine
Förderleistungseinstelleinrichtung/Neigungseinstelleinrichtung 16 zum Steuern der Förderleistung, wobei die Antriebswelle des Axialkolbenkompressors als Abtriebswelle 14 des Axialkolbenexpanders 11 verwendet wird, an der mechanische Antriebsleistung abgreifbar ist, wobei der Niederdruckeinlass des Axialkolbenkompressors als Hochdruckeinlass 17 des Axiakolbenexpanders 11 verwendet wird, wobei der
Hochdruckauslass des Axialkolbenkompressors als Niederdruckauslass 18 des Axialkolbenexpanders verwendet wird, wobei die Förderleistungseinstelleinrichtung des Axialkolbenkompressors als Hubeinstelleinrichtung des Axialkolbenexpanders 11 verwendet wird, mit der der Hub der Kolben 27 unabhängig von der Drehzahl und einer Druckdifferenz zwischen Hochdruck und Niederdruck steuerbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Axialkolbenexpander für eine Abwärmenutzungsvorrichtung (2) eines Kraftfahrzeugs,
- mit einer Abtriebswelle (14), die um eine Rotationsachse (25) drehbar gelagert ist und an der mechanische Antriebsleistung abgreifbar ist,
- mit mehreren Zylindern (26), die parallel zur Rotationsachse (25) orientiert sind und in Umfangsrichtung verteilt um die Rotationsachse (25) angeordnet sind, mit mehreren Kolben (27), die jeweils in einem der Zylinder (26) parallel zur Rotationsachse (25) hubverstellbar angeordnet sind,
- mit einer Kopplungsscheibe (28), die mit allen Kolben (27) und mit der
Abtriebswelle (14) antriebsverbunden ist,
- mit einem Hochdruckeinlass (17), der fluidisch mit den Zylindern (26) verbunden ist,
- mit einem Niederdruckauslass (18), der fluidisch mit den Zylindern (26) verbunden ist,
- mit einer Ventileinrichtung (30) zum Steuern der fluidischen Verbindungen
zwischen den Zylindern (26) und dem Hochdruckeinlass (17) sowie dem
Niederdruckauslass (18),
dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Hubeinstelleinrichtung vorgesehen ist, mit welcher der Hub der Kolben (27) über eine Regelung des Druckes in einem Triebraum (43) einstellbar ist.
2. Axialkolbenexpander nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Triebraum (43) mit einem Hochdruck-Bypass (41) des Hochdruckauslasses (17) zur Einstellung des Triebraumdrucks verbindbar ist.
3. Axialkolbenexpander nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Triebraum (43) mit einem Niederdruck-Bypass (44) des Niederdruckauslasses (18) zur Einstellung des Triebraumdrucks verbindbar ist.
4. Axialkolbenexpander nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Bypass (41 , 44) eine Druckeinstelleinrichtung (42, 45) aufweist.
5. Axialkolbenexpander nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckeinstelleinrichtung (42, 45) als ein Taktventil, als eine Konstantdrossel oder sonstige Drossel ausgebildet ist.
6. Axialkolbenexpander nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckeinstelleinrichtung (42, 45) in dem einen Bypass (41 , 44) als Taktventil (42, 45) und in dem anderen Bypass (44, 41 ) als Drossel (45, 42) ausgebildet ist.
7. Axialkolbenexpander nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hubeinstelleinrichtung eine Neigungseinstelleinrichtung (16) ist oder umfasst, deren Neigung (29) gegenüber der Rotationsachse (25) den Hub der Kolben (27) bestimmt und mit deren Hilfe die Neigung (29) der Kopplungsscheibe (28) relativ zur Rotationsachse (25) einstellbar ist.
8. Axialkolbenexpander nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventileinrichtung (30) je Zylinder (26) ein Einlassventil (31 ) zum Steuern der fluidischen Verbindung zwischen dem jeweiligen Zylinder (26) und dem
Hochdruckeinlass (17) aufweist, das vom zugehörigen Kolben (27) im Bereich des oberen Totpunkts zum Öffnen betätigt ist.
9. Axialkolbenexpander nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der jeweilige Kolben (27) ein Betätigungselement (33) aufweist, das im Bereich des oberen Totpunkts das jeweilige Einlassventil (31 ) zum Öffnen betätigt.
10. Axialkolbenexpander nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass das jeweilige Betätigungselement (33) ein axial vom Kolben (27) abstehender Vorsprung (33) ist, der zum Öffnen des jeweiligen Einlassventils (31 ) ein
Ventilelement (34) des Einlassventils (31 ) in eine Offenstellung bewegt.
11. Axialkolbenexpander nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das jeweilige Einlassventil als Flatterventil (31 ) ausgestaltet ist, das als verstellbares Ventilelement eine verschwenkbare Klappe (34) aufweist.
12. Axialkolbenexpander nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventileinrichtung (30) zum Steuern der fluidischen Verbindung zwischen den Zylindern (26) und dem Niederdruckauslass (18) eine um die Rotationsachse (25) rotierende Steuerscheibe (37) aufweist, die zumindest einen die Steuerscheibe (37) axial durchsetzenden Steuerschlitz (38) aufweist, wobei die fluidische Verbindung zwischen dem Niederdruckauslass (18) und dem jeweiligen Zylinder (26) geöffnet ist, wenn der Steuerschlitz (38) axial zum jeweiligen Zylinder (26) fluchtet, und im übrigen Drehbereich der Steuerscheibe (37) geschlossen ist.
13. Axialkolbenexpander nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
- dass sich der Steuerschlitz (38) kreisbogenförmig bezüglich der Rotationsachse (25) erstreckt, und/oder
- dass die Steuerscheibe (37) drehfest an der Abtriebswelle (14) angebracht ist, und/oder
- dass der jeweilige Zylinder (26) eine Auslassöffnung (39) aufweist, die mit der Steuerscheibe (37) direkt gesteuert ist.
14. Abwärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs,
mit einem Abwärmenutzungskreis (8), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, mit einer im Abwärmenutzungskreis (8) angeordneten Fördereinrichtung (9) zum
Antreiben des flüssigen Arbeitsmediums,
- mit einem im Abwärmenutzungskreis (8) stromab der Fördereinrichtung (9)
angeordneten Verdampfer (10) zum Verdampfen des Arbeitsmediums unter Nutzung von Abwärme (3) der Brennkraftmaschine (1 ), - mit einer im Abwärmenutzungskreis (8) stromab des Verdampfers (10)
angeordneten Expansionsmaschine (11 ) zum Entspannen des Arbeitsmediums,
- mit einem im Abwärmenutzungskreis (8) stromab der Expansionsmaschine (11 ) angeordneten Kondensator (12) zum Kondensieren des Arbeitsmediums,
- wobei die Expansionsmaschine (11 ) zur Übertragung mechanischer
Antriebsleistung mit einem Triebstrang (7) der Brennkraftmaschine (1 ) gekoppelt oder koppelbar ist,
- wobei die Expansionsmaschine ein Axialkolbenexpander (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist, dessen Abtriebswelle (14) zur Übertragung mechanischer Antriebsleistung mit dem Triebstrang (7) der Brennkraftmaschine (1 ) gekoppelt oder koppelbar ist.
15. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinrichtung (19) vorgesehen ist, die im Normalbetrieb den
Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1 ) überwacht und davon abhängig die Hubeinstelleinrichtung des Axialkolbenexpanders (11 ) so regelt, dass die
Abwärmenutzungsvorrichtung die Brennkraftmaschine (1) in ihrer Antriebsleistung unterstützt.
16. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinrichtung (19) vorgesehen ist, die den Axialkolbenexpander (11 ) bei einem Kaltstart der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) als Axialkolbenkompressor betreibt.
17. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abtriebswelle (14) mit einem Teil (20) des Triebstrangs (7) gekoppelt ist, der wenigstens ein Hilfsaggregat (21 ) antreibt,
- dass dieser Teil (20) des Triebstrangs (7) vom übrigen Triebstrang (7) mittels einer steuerbaren Kopplungseinrichtung (24) entkoppelbar ist,
dass eine Steuereinrichtung (19) vorgesehen ist, die im Schubbetrieb oder im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine (1 ) die Kopplungseinrichtung (24) zum Entkoppeln des mit der Antriebswelle (14) gekoppelten Teils (20) des Triebstrangs (7) vom übrigen Triebstrang (7) betätigt.
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